基于管控单元的城市尺度浅层地热能开发控制因素及指引导则:以雄安新区起步区为例

Control factors and guidelines for urban-scale shallow geothermal energy development based on control units: An example from Xiong’an

摘要

浅层地热能潜力巨大,其合理利用可极大促进城市节能减排和绿色发展。城市尺度浅层地热能利用除与地质条件密切相关外,还受城市规划影响。本文以雄安新区起步区控制性规划为基础,通过综述城市尺度浅层地热能开发利用的主要控制因素,制定空间适宜性评价和指引导则的工作流程。充分考虑地质因素、资源因素和社会生态因素对浅层地热能开发的制约,结合地温测量、热物性测试、现场热响应试验等室内和现场测试数据,对雄安新区起步区已规划的30个的管控单元进行单要素分析,开展浅层地热能开发综合评价并制定开发指引导则。结果显示,地温场条件、水文地质条件、热传导性能、热容量、供暖制冷面积、城市规划和地面沉降是影响雄安新区浅层地热能利用的直接因素。研究区浅层地热能开发适宜性好的单元占43%,主要分布在北部A、B、C和D单元,以可利用区为主,综合导热能力高,单位供暖制冷面积大,具有比较适宜的浅层地热能赋存条件;适宜性中等单元占33%,主要分布在E单元和其他单元的零星区域,其特点为综合导热能力中等,单位供暖制冷面积和热容量偏小;适宜性差单元占23%,主要集中在南部F单元,该区域水系丰富,受空间规划的影响,开发利用受到制约。研究成果为雄安新区起步区的浅层地热能资源利用和开发提供了支撑,也为城市尺度下浅层地热能资源的规范性评价提供参考依据。

关键词

浅层地热能 / 城市尺度 / 控制因素 / 管控分区 / 开发指引导则

Key words

shallow geothermal energy / urban-scale / control factors / control units / development guidelines

0 引言

浅层地热能是地热资源的一部分,储量丰富,分布广泛,是一种稳定可靠的清洁可再生能源^[1],随着经济的发展和能源短缺问题的加剧,其开发利用越来越受到重视^[2⇓-4]。“可持续城市和社区”被列为联合国2015年通过的可持续发展目标之一,预计到2050年,世界上近70%的人口将居住在城市,评估现有和未来城市系统的可持续性至关重要^[5]。截至2020年,中国地热直接装机容量达40.6 GW,占全球38%,连续多年居世界首位,其中地源热泵装机容量26.5 GW,比2015年增长125%^[6]。地源热泵提供的供热制冷能源在过去5年增长了118倍^[7],发展浅层地热能是新型城市实现系统可持续的重要手段。

近年来,京津冀加快推进清洁能源的替代,以煤碳为主的能源结构逐渐向多元化、清洁化方向转变^[8-9]。雄安新区建设是深入推进京津冀协同发展的重大举措,作为河北省地热条件最好的地区之一,浅层地热资源的利用对促进区域节能减排,实现绿色智慧新城建设目标具有重要推进作用^[10-11]。

浅层地热能开发受控因素众多,适宜性评价是其合理利用的前提。区域尺度的浅层地热能适宜性评价以欧洲范围为例,主要考虑地质、气候和环境保护的因素^[12]。与区域尺度有所不同,城市尺度的评价因覆盖面积相对较小,往往会忽略气候、人口等因素的影响,重点考虑地质、水文地质和热物性等因素的影响^[13-14]。国内一些城市开展过不同程度的浅层地热能调查和评价工作^[15],多采用指标法或层次分析法开展适宜性评价^[16-17]。朱巍^[18]应用模糊层次分析法和粒子群优化算法,构建了浅层地热能开发利用适宜性评价模型,开展了大连市主城区浅层地热能开发利用适宜性评价;丁美青^[19]通过对安徽省六安市的地质、水文地质条件、地层属性、施工条件和热物性进行分析,评价了六安市浅层地热能开发利用的适宜性;卢玮等^[20]对郑州市地下水和地埋管两种换热系统进行比较,优化设计了郑州市的浅层地热能开发利用的适宜性;时国凯等^[21]利用层次分析法对浅层地热能开发利用进行适宜性评价,结果认为淮安城市规划区内适宜用地埋管地源热泵的方式进行开发利用。这些研究成果为浅层地热能的开发利用和适宜性评价提供了科学依据,但以往的评价更注重地热资源本身的适宜性,未能充分考虑社会因素及生态因素的影响,与城市规划结合不足,因而在指导开发利用方面存在缺陷。

雄安新区起步区控制性规划已于2020年发布,本文以雄安新区起步区为研究对象,通过分析城市尺度浅层地热能开发利用的主要控制因素,构建GIS-AHP适宜性评价决策模型。除基础的地质条件外,既充分考虑社会因素,与城市规划相结合,又重视开发利用的可持续性,加入生态环境因素,对起步区浅层地热能开发利用进行分区并制定分区指引导则。研究结果以期对雄安新区起步区浅层地热能开发利用规划制定提供依据。

1 研究方法和数据来源

1.1 研究方法

地质因素、资源因素和社会生态因素是城市浅层地热能开发利用的主要因素^[1]。从地质因素考虑,地温场条件、水文地质条件和综合导热能力反映了开发利用的基础地质背景^[22];从资源因素考虑,热容量和供暖制冷面积反映了浅层地热能作为资源开发所具备的资源量潜力;从社会生态因素考虑,规划分区和包括地面沉降在内的地质环境问题决定了浅层地热能能否得到应用。

本文从地质、资源和社会生态3方面控制因素入手,通过对雄安新区起步区地温场条件、水文地质条件、热传导性能、热容量、供暖制冷面积、城市规划和地面沉降7个方面的具体参数进行分析,从而评价每个管控分区浅层地热能开发利用的空间适宜性,并提出开发利用的指引导则,采用的工作流程如图1所示。

1.2 数据来源和处理

1.2.1 研究区概况

雄安新区位于太行山以东平原区,规划范围包括雄县、容城县和安新县及其周边部分区域,规划面积1 770 km^2[23]。起步区位于雄安新区西北部,主要位于容城县南部和安新县北部,面积约198 km²(图2)。依据雄安新区起步区管控单元划分^[24],将起步区分为A、B、C、D、E和F共6个一级单元,在一级单元基础上又细分为30个二级单元。

研究区第四系沉积物厚度为300 m左右,成因类型以冲积、洪积和湖积为主^[25]。主要岩性为中砂、粗细砂、粉砂、粉细砂、粉土、粉质黏土和黏土,根据埋藏深度将地下水划分为浅层和深层含水层组^[26](图3^[27])。浅层地下水含水层组底界埋深120~200 m,主要接受大气降水补给,排泄方式主要为人工开采。深层地下水含水层组底界埋深385~550 m,主要接受侧向径流补给,垂向补给较少,人工开采为主要排泄方式。区内地埋管式地源热泵开发深度一般不超过200 m,主要与浅层地下水的埋藏深度有关。

在充分收集水文地质资料和基础地质资料的基础上,实施6口工程钻探孔,其中100 m深度钻孔2口,120 m深度钻孔3口,150 m深度钻孔1口。6口钻孔实施全孔取芯钻探,开展取样,测试基本物理性质参数和热物理性质参数。扩孔埋设U形地埋管开展现场热响应试验,其中GQC01、GQC02、GQC03和GQC04 钻孔内开展温度监测,钻孔详细信息见表1。

1.2.2 地质因素

浅层地温场条件:地温场是地球内部空间温度状况的表征,通过对浅层地温场分析可获得浅层地热能的温度赋存状况。浅层地温场受地质构造、地层岩性和地下水补径排等条件影响^[28]。在研究区开展了4个月周期的地温监测,采用Pt1000型铂电阻探头,测量精度为0.1 ℃。考虑变温带内温度随深度变化波动较大,50 m内深度监测间隔为5 m,超过50 m深度监测间隔为10 m。通过地温监测数据分析地温场在平面和垂向上的温度变化情况。

水文地质条件:在富水性较好、岩石颗粒粗、地下水径流速度较快的区域,地埋管换热器的换热效果明显高于富水性差、岩石颗粒细、地下水径流速度慢的地区^[29]。结合水文地质调查成果,获取200 m以浅地层岩性、地下水水位埋深和补径排条件,从而开展相关影响因素分析。

综合导热能力:综合热导率(λ)是衡量换热能力的关键参数,一般通过现场热响应试验获得^[30]。本文利用恒温法开展现场热响应试验^[31],每个钻孔开展4个试验工况,包括初始地温工况、1个取热工况和2个加热工况。初始地温工况持续21 h,直到地埋管的进出口水温逐渐趋于相等或保持一个很小的允许温差(0.1~0.2 ℃),此时测得的进出口平均水温为土壤初始温度;取热和制冷工况持续19~45 h,直到进出口温度稳定,试验数据见表2。利用圆柱热源模型理论方法计算综合热导率,在柱热源模型下恒定热源在无限大土壤中非稳定传热的表达式如下^[32]:

(1)T_w-T₀= \frac{Q}{H\lambda }G(F₀,p)

式中:T₀为远界未受扰动的初始温度,℃;T_w为钻孔壁温度,℃;Q为钻孔的总换热量,W;λ为岩土体的热导能力, W·m^-1·K^-1;H为钻孔深度,m;G(F₀,p)为理论解G函数;F₀为Fourier数,F₀=at/r²;p为计算点距热源中心的距离与埋管半径之比。

1.2.3 资源因素

热容量:热容量反映浅层地热能的潜在开采潜力,根据热容量的大小对岩土体蕴含的浅层地热能资源进行预估评价。采用体积法分别计算包气带和饱水带岩土体中单位温差储藏的热量^[33]。

单位供暖制冷面积:根据热响应试验数据计算单孔换热功率,根据实际规划面积计算总换热功率,结合供暖和制冷负荷确定供暖制冷面积,最终获取单位面积的供暖制冷面积。区内建筑均视为节能建筑,采用节能指标计算,负荷指标见表3。

1.2.4 生态因素

规划分区:根据起步区的规划分区要求,结合生态空间、城镇空间和地下空间的规划用途3方面的要素和指标,将研究区划分为可利用区、限制利用区和禁止利用区,从而实现对研究区地热资源的合理开发利用。

地面沉降条件:通过对雄安新区2017—2019年地面沉降的监测,采用合成孔径雷达干涉(synthetic aperture radar interferometry,InSAR)测量技术,计算研究区的年平均形变速率,获取年平均形变速率图,分析地面沉降是否会影响地埋管的长期使用。

综合以上分析,表4对本文考虑的因素、指标及指标的意义和数据来源进行了综合介绍。

2 结果和讨论

2.1 地质因素

2.1.1 地温场条件

根据地温监测数据,获取4口钻孔不同深度的地温数据(图4)。研究区恒温带埋深17~36 m,平均深度为26 m,恒温带温度为13.99~15.43 ℃。恒温带以下温度随深度的增大而增大,地温梯度2.5~3.8 ℃·hm^-1,地温除受传导作用控制外,还受到局部对流作用的影响^[34]。在平面上同一深度不同地区的地温略有差异,总体呈现中部、东北部高,南部低的特点,同一深度的平面差值较小,小于2.7 ℃。

2.1.2 水文地质条件

200 m以内的浅层地下水含水层主要由灰黄、棕红色黏土、亚黏土、亚砂土与灰黄、灰白色细砂、粉细砂和粉砂组成,不等厚互层,呈上粗下细的沉积韵律,结构松散。浅层地下水含水层大部分地区单井涌水量1 000~2 000 m³·d^-1,属中等富水区。浅层地下水水位埋深一般为5~20 m,白洋淀周边区域地下水位埋深较浅,一般小于5 m,总体上由西北向东南方向流动^[26]。有效含水层厚度在50 m以内,由西北向东南有效含水层厚度逐渐增加(图5)。

2.1.3 综合导热能力

根据本次热响应试验测试数据,按照2.2中的计算方法,获取各钻孔的初始地温,换热量(Q)与流体进出口平均温度(T_f)的关系,从而计算获得综合热导率(λ)(表5)。其中各孔换热量与进出口流体温度拟合曲线的相关关系均大于0.99,计算误差在允许范围内。

研究区岩土体整体导热能力良好,介于1.55~1.80 W·m^-1·K^-1之间(图6)。综合热导率在空间分布略有差异,在西北部最高,中部最低,整体从东北、西北向中部逐渐递减,差值小于0.25 W· {\mathrm{m}}^{-1} · {\mathrm{K}}^{-1}。岩土体导热能力与岩性、含水层及密度密切相关,岩性主要为细砂、粉砂的地区综合热导率均大于1.5 W·m^-1·K^-1,部分含水层厚度大或以中砂为主地区,综合热导率均大于1.7 W·m^-1·K^-1。

2.2 资源储量

2.2.1 热容量

在布设的6口工程地质钻孔中采集样品,共采取原装土样125组,砂样73组。送实验室测试密度、孔隙度和含水率等基本物理性质参数和比热容等热物理性质参数。将测试结果进行统计分析,获取不同岩性响应参数的中值如图7所示。

第四系不同岩土体因受颗粒的排列方式、分选程度、颗粒形状和交接程度的综合影响,其自然密度和孔隙度无明显规律,其中自然密度范围为1 918~2 040 kg·m^-3,孔隙率范围为36%~40%。含水率范围为15%~22%,随粒径的增大,含水率总体呈增大趋势。不同岩性的比热容范围为1.31~1.43 kJ·kg^-1·K^-1,随着粒径的增大,比热容总体呈减小趋势。

采用体积法开展浅层地热能热容量评价,按照1.2节中介绍的方法对每个单元的包气带和饱水带热容量进行计算,获取每个管控单元总的热容量和单位面积热容量。热容量大小受岩土体厚度、密度和比热容等因素影响,计算可得研究区150 m深度范围内浅层地热能总热容量为77.22×10¹² kJ·℃^-1,30个分区的单位面积热容量为(0.34~0.43)×10¹² kJ·℃^-1·km^-1。中部B03、C03和东部F07最低,西部A01、A04、A06、F01和东部D03、E02、F06最高,超过0.41×10¹² kJ·℃^-1·km^-1,其余各区的单位面积热容量适中(图8)。

2.2.2 供暖制冷面积

根据热响应试验数据获取单孔在不同工况下换热功率,结合土地利用系数和建筑物供暖/制冷负荷,获取研究区总的供暖制冷面积。起步区夏季可制冷面积为4.9亿m²,冬季可供暖面积为4.1亿m²,夏季单位面积的可供暖制冷面积为0.025亿m²·km^-2,冬季单位面积的可供暖制冷面积为0.021亿m²·km^-2(图9)。夏季供暖和制冷能力在南部F03区和东南部F07区较低,在西部A01、A03与南部F02、F04、F06较高,二者相差约80 {\mathrm{m}}^2 · \mathrm{k} {\mathrm{m}}^{-2};冬季供暖制冷能力在西部A01区和东部E01、E02、E04、E05、E06区较高,中部B、C和F区偏低,差值约为60 m²·km^-2。从季节上来看,夏季单位面积潜力高于冬季单位面积潜力,差值为12~35 m²·km^-2。起步区地埋管地源热泵的供暖制冷面积可观,将对节能减排发挥重要作用。

2.3 社会生态因素

2.3.1 规划分区

结合研究区生态空间、城镇空间和地下空间的规划用途3个方面的要素和指标,以“保护优先,合理开发;因地制宜,突出重点,分类管控”为划定原则,将起步区划分为可利用区、限制利用区和禁止利用区进行管理^[35](图10)。

可利用区主要为以城镇建设发展为主的区域,是地埋管地源热泵的主要开发区域,总面积为92.36 km²。可利用区主要分布在起步区北部A、B、C、D和E 5个大区中,南部F区分布较少且较为分散。

限制利用区主要以起步区非城市建设用地的生态空间和部分地下空间开发区域为主,该区实施限定浅层地热能开发强度和空间范围的管控措施,总面积为99.96 km²。分布在可利用区的外围和南部F区。

禁止利用区主要为起步区地下城市交通沿线和地表交通道路周边保护区域,以及地下空间综合利用区,总面积为5.68 km²。零散分布在研究区内,该区域禁止浅层地热能开发利用。

2.3.2 地面沉降

第四纪地层中地下水的超采和砂岩热储的采灌不均衡是导致雄安新区地面沉降的主要因素^[36]。因钻探和地下埋管的需要,在已有或潜在发生地面沉降的地区,不适宜开展浅层地热能利用。基于前人开展的合成孔径雷达干涉测量成果^[37],起步区共布设5个采样点(图11),2017—2019年采样点01、03、04和05的累积平均沉降量分别约为12、5、8、20 mm·a^-1,沉降变化非常微小。采样点02显示缓慢抬升,累积抬升量为2 mm。结合测点数据和前人研究,研究区发生微地面沉降的地区年平均变形速率多介于2~4 mm,大于4 mm的区域分布于05点附近(图11)。

3 讨论

在对各影响因素进行分析的基础上,采用定性与定量相结合的方法,评价每个管控单元的资源条件和利用分级结果,结果见图12和表6。开发利用建议采用A、B和C 3个等级,其中A代表适宜性好,B代表适宜性中等,C代表适宜性差。

A、B单元整体以可利用区为主,为适宜性好和中等地区。其中A01、A02和B03主要受含水层厚度和热容量较小影响,评价为适宜性中等区,其他地区各要素指标差异小,适宜性好。

C和D单元整体除可利用区外,有部分限制和禁止利用区。其中C03主要受热容量较小的影响,评价为适宜性中等。D03存在大面积限制和禁止利用区,评价为适宜性差,其他地区评价为适宜性好。

E 单元整体地温条件好,有效含水层厚度均大于30 m,岩土体导热能力为1.61~1.73 W·m^-1·K^-1,单位供暖制冷面积相对其他分区偏小,尤其是E01、E02、E04、E05和E06这5个单元,综合评价结果为适宜性好。E07和E08虽存在部分限制利用区,但仍以可利用区为主,其他条件良好,评价为适宜性好。E03以限制利用区为主,存在部分禁止利用区,评价为适宜性差。

F单元存在大量的限制利用区,整体以适宜性中等和差为主。其中F02、F04、F06和F07以限制利用区为主,F05主要受地面沉降要素影响,均评价为适宜性差。F03主要受单位供暖制冷面积小的影响,评价为适宜性中等。F01各因素条件较好,评价为适宜性好。

评价结果显示,研究区划分的30个管控单元中,适宜性好的单元占43%,主要分布在北部可利用区为主的A、B、C和D单元,具有比较适宜的浅层地热能赋存条件;适宜性中等单元占33%,主要集中在含水层厚度小、单位供暖制冷面积和热容量偏小的地区;适宜性差单元占23%,主要集中在南部F单元,该区域受空间规划的影响开发利用被制约。

4 结论

雄安新区起步区的浅层地热能开发受地质因素、资源因素和社会生态因素的制约,其中地质条件包括地温场条件、水文地质条件和热传导能力,资源因素包括热容量和供暖制冷面积,社会生态因素包括规划分区和地面沉降。

研究区内恒温带温度为13.99~15.43 ℃,浅层地下水的有效含水层厚度大部分在30~50 m之间,地下水资源丰富,由西北向东南有效含水层厚度逐渐增加,岩土体整体导热能力良好,介于1.55~1.80 W·m^-1·K^-1之间。150 m深度范围内浅层地热能总热容量为77.22×10¹² kJ·℃^-1,夏季可制冷面积为4.9亿m²,冬季可供暖面积为4.1亿m²。结合城市规划,将研究区划分为可利用区、限制利用区和禁止利用区。地面沉降数据显示,研究区内部分区域发生微小沉降,年平均变形速率多介于2~4 mm,对浅层地热能利用影响微弱。

采用定性与定量相结合的方法,对已规划的30个管控单元空间适宜性进行评价。结果显示适宜性好的单元占43%,主要分布在北部A、B、C和D单元,以可利用区为主,综合导热能力高,单位供暖制冷面积大,具有比较适宜的浅层地热能赋存条件;适宜性中等单元占33%,主要分布在E单元和其他单元的零星区域,其特点为综合导热能力中等,单位供暖制冷面积和热容量偏小;适宜性差单元占23%,主要集中在南部F单元,该区域受空间规划的影响开发利用被制约。

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基金资助

国家重点研发计划项目(2021YFB1507300)

国家重点研发计划项目(2021YFB1507302)

国家自然科学基金项目(41302189)

中国地质调查局地质调查项目(DD20230019)

中国地质调查局地质调查项目(DD20221676)